Multi-objective optimization of DRPSA units

A rigorous design methodology for DRPSA processes is available only under very strict simplifying assumptions based on the so-called Equilibrium Theory. However, its applicability is limited to very specific (and often unrealistic) conditions while considering more realistic conditions trial-and-error approaches have been proposed to design DRPSA processes. Such methodologies employ several attempts to find the optimal operating window because of the intrinsic modelling complexity of these units and a large number of process variables. In this thesis, it has been proposed a more plain way to design DRPSA units by employing a Multi-objective optimization tool coupled to a detailed simulation model. The proposed work is carried out with reference to the separation, through the DRPHA process, of a binary mixture of CO2/N2 which represents the post-combustion flue gases. The outputs of the optimization studies have been employed to propose the Master plotbased design procedure that is based on the building of suitable graphical representations that summarize the interplay among the most important process variables. Therefore, it is possible to identify the range of allowed pressure, size of the column, achievable values of purity, energy demand and comparative evaluation of different feed positions only by looking at the Master plots.

In letteratura non è presente una metodologia rigorosa per la progettazione di unità DRPSA. Un approccio progettistico è stato proposto sulla base dalla cosiddetta Teoria all’Equilibrio, la quale considera numerose semplificazioni che rendono questa metodologia non universalmente applicabile. Considerando condizioni di processo più realistiche, altre metodologie di progettazione sono state sviluppate sulla base di approcci trial-and-error, i quali impiegano numerose simulazioni (o esperimenti) per identificare le condizioni operative ottimali, dal momento che tali processi presentano un elevato numero di variabili operative. In questa tesi è stata proposta una metodologia più semplice per progettare le unità DRPSA grazie all’impiego dell’ottimizzazione multi-obiettivo accompagnata da un modello di simulazione dettagliato. Il lavoro di tesi proposto è stato svolto con riferimento alla separazione, mediante il processo DRPHA, di una miscela binaria di CO2/N2 che rappresenta i gas di post-combustione. I risultati degli studi di ottimizzazione sono stati utilizzati per sviluppare una procedura di progettazione basata su Master plots, ovvero rappresentazioni grafiche che riassumono l’interazione tra le più importanti variabili di processo. Pertanto, osservando i Master plots è possibile identificare l’intervallo di pressioni che possono essere adottate nel processo, le dimensioni della colonna, i valori ottenibili di purezza, la richiesta energetica e la valutazione comparativa delle diverse posizioni di alimentazione.